JP2019159177A - 騒音低減装置およびジェットファン - Google Patents
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Abstract
Description
第1の実施形態に係る騒音低減装置について図1Aおよび図1Bを参照して説明する。
ダクト付きファン1は、複数の騒音低減装置10、動翼30、静翼50およびダクト70を含む。
なお、図1Aおよび図1Bでは、動翼30および静翼50が1つずつ配置される例を示すが、動翼30および静翼50共に複数個配置されてもよい。
自励音とは、所定の構造を流体(ここでは空気)が通過する際に発生する流体音である。なお、本実施形態では、所定の構造としてエッジやキャビティなどの構造を想定するが、これに限らず自励音を発生する構造であれば、本実施形態に係る騒音低減装置に適用可能である。
図2は、自励音の発生構造がキャビティ構造である場合を示す。
空気の流れと平行なキャビティ構造の長さをdとすると、自励音の周波数fは、
f=1/(d/U+d/c)
で表せる。ここで、cは音速を示し、Uは流速を示す。流速Uが音速cに比べ十分に遅い場合は、f=U/dと表せる。
f=cU/(d(2c+U))
で表せる。ここで、流速Uが音速cに比べ十分に遅い場合は、f=U/2dと表せる。つまり、キャビティ構造およびエッジ構造のいずれの場合も、自励音の周波数fは、以下の式(1)で表せる。
f=k1×(U/d)・・・(1)
ここで、キャビティ構造の場合、k1=1であり、エッジ構造の場合、k1=1/2である。
U=k2×Ω・・・(2)
ここで、k2はダクトの形状などが考慮された係数であり、流速Uと回転速度Ωとの関係を別途計算することにより決定される定数である。つまり、流速Uは、動翼30の回転速度Ωと比例関係になる。よって、以下の式(3)を満たすように、キャビティ構造における長さdおよびエッジ構造における距離dが決定されればよい。
k1×k2/d=B/60・・・(3)
ここで、Bは動翼30の羽根の枚数を示す。言い換えれば、流速、動翼30の回転速度および動翼30の羽根の枚数に基づいて、キャビティ構造またはエッジ構造といった自励音の発生構造の形状が決まる。
f=B(Ω/60)・・・(4)
つまり、動翼30の回転速度Ωに基づいて変化する騒音の周波数に対応し、自励音の周波数fも変化する。
図4に示す騒音低減装置10は、自励音発生部101と制御スピーカ103とを含む。
図5に示す騒音低減装置10は、自励音発生部101と、制御スピーカ103と、音響伝達路105とを含む。
図5に示すように、音響伝達路105を設けることで、制御スピーカ103がキャビティ付近に存在せずともよい。すなわち、制御スピーカ103がキャビティから離れた後端部に配置されてもよい。さらに、音響伝達路105がキャビティ内かつ給気方向前方に開口していれば、制御スピーカ103の向きについても限定されない。つまり、ダクト70の厚みによっては制御スピーカ103を埋め込むことができない場合でも、音響伝達路105を用いることで制御スピーカ103からの制御音がキャビティ内に出力される。すなわち、音響伝達路105を用いることで制御スピーカ103の配置の自由度が向上する。
図6に示す騒音低減装置10は、自励音発生部101と制御スピーカ103とを含む。
また、エッジ107の材質、エッジ107の角度および形状については限定されず、エッジにより自励音が発生する状態であればよい。
図7に示す騒音低減装置10は、自励音発生部101と、制御スピーカ103と、音響伝達路105とを含む。
図5に示すキャビティ構造の場合と同様に、自励音発生部101がエッジである場合も、音響伝達路105がダクト70の径方向に開口していれば、制御スピーカ103の向きおよび配置についても限定されない。
騒音低減システムは、複数の騒音低減装置10と処理回路110とを含む。各騒音低減装置10は、マイクロフォン120(以下、単にマイク120という)と制御スピーカ103とを含む。
自励音のロックイン現象を用いた騒音低減制御では、自励音の二次経路特性は予め同定できない。よって、二次経路特性の同定を別途オンラインで実行するか、二次経路を制御中に構成する直接法など二次経路特性の同定不要のアルゴリズムを用いればよい。なお、直接法については一般的な手法を用いればよいため、ここでの詳細な説明は省略する。
M=B×x+V×k・・・(5)
ここで、Bは動翼30の羽根の枚数、xは対象とする騒音低減次数、Vは静翼50の羽根の枚数、kは任意の整数である。上述の「Mmin」は、式(5)の最小値である。
各騒音低減装置10のマイク120は、自励音発生部101および制御スピーカ103と比較して、動翼30から最も離れて配置される。
なお、図8の例では、複数の騒音低減装置10は、動翼30に対して給気方向前方に配置されるが、これに加え、複数の騒音低減装置10が動翼30の後方に同様に配置されてもよい。
処理回路110は、参照信号取得部111と、環境音取得部113と、誤差信号生成部115と、能動騒音制御部117(以下、ANC部117という)と、分配部119とを含む。
環境音取得部113は、ダクト70内に配置された複数のマイク120によりそれぞれ集音した環境音を取得する。
誤差信号生成部115は、複数のマイク120で取得した環境音の位相差を考慮し、環境音の位相遅延和を計算することで誤差信号を生成する。
なお、処理回路110は、例えばプロセッサであり、制御信号を有線または無線により各制御スピーカ103に送信可能にダクト70またはダクト70外に配置されればよい。また、処理回路110は、特定の制御スピーカ10と一体に構成されてもよい。
ステップS1002では、環境音取得部113が、複数のマイク120からそれぞれ、環境音を取得する。すなわち、環境音には、制御音と自励音との合成音および騒音が含まれる。
delayi=2πi/ΩLm・・・(6)
ここで、iは、動翼30の回転方向とは反対方向にインクリメントされるマイク番号、Ωは、動翼30の回転速度、Lmは、マイク120の個数をそれぞれ示す。
ステップS1005では、分配部119が、制御信号を各制御スピーカ103に分配する。なお、分配部119で決定される制御スピーカ103の位相シフト量、すなわち遅延時間delayiは、以下の式(7)に基づいて決定されればよい。
delayi=2πi/ΩLC・・・(7)
ここで、iは、動翼30の回転方向にインクリメントされる制御スピーカ番号を示す。LCは、制御スピーカの個数を示す。
よって、処理回路110が、動翼30の回転中はステップS1001からステップS1006までの処理を繰り返し実行する。これにより、処理回路110が、制御音と自励音との合成音を用いて動翼30からの騒音を打ち消す(低減する)ように、制御信号の周波数、位相および振幅を制御すればよい。
第1の実施形態では自励音利用型の自励音発生部を想定しているが、第2の実施形態では、共鳴現象を利用した自励音発生部を想定する。
図11は、共鳴現象を利用したキャビティ構造を有する自励音発生部101と制御スピーカ103とを示す図である。ダクト70に形成されたキャビティaが共鳴空間となる。また、共鳴空間aの端部、すなわち共鳴空間aにおいて給気側から最も遠い位置(図示しないが、動翼30側)に制御スピーカ103が配置される。
図12は、共鳴現象を利用したエッジ構造を有する自励音発生部101と制御スピーカ103とを示す図である。図12に示すエッジ構造107とダクト70と制御スピーカ103とに囲まれた空間aが共鳴空間となる。また、共鳴空間aにおいて給気側から最も遠い位置(図示しないが、動翼30側)に制御スピーカ103が配置される。
図13に示すジェットファンは、複数の騒音低減装置10、動翼30、静翼50およびダクト70を含む。
一般的にジェットファンは、動翼30後方のダクト70の長さが長いため後方側では騒音が小さくなるが、動翼30前方はダクト70の長さが短いため、動翼30前方で騒音が問題になると考えられる。よって、図13の例では、動翼30前方に本実施形態に係る複数の騒音低減装置10を、ダクト70の周方向に略等間隔で配置する。
なお、本実施形態に係る騒音低減装置10は、ジェットファンに限らず、ジェットエンジンでもよいし、ダクトが接続されたタービンなどにも用いることができる。
さらに、本実施形態における記録媒体は、コンピュータあるいは組み込みシステムと独立した媒体に限らず、LANやインターネット等により伝達されたプログラムをダウンロードして記憶または一時記憶した記録媒体も含まれる。
また、記録媒体は1つに限られず、複数の媒体から本実施形態における処理が実行される場合も、本実施形態における記録媒体に含まれ、媒体の構成は何れの構成であってもよい。
また、本実施形態におけるコンピュータとは、パソコンに限らず、情報処理機器に含まれる演算処理装置、マイコン等も含み、プログラムによって本実施形態における機能を実現することが可能な機器、装置を総称している。
Claims (8)
- 制御音を出力するスピーカと、
自励音を発生する発生部と、
前記制御音と当該制御音に引き込まれる前記自励音とに基づいて騒音源から発生する騒音を低減するように、当該制御音の位相および振幅を制御する制御部と、を具備する騒音低減装置。 - 前記騒音は、動翼の回転により生じる騒音であり、
前記発生部は、前記動翼の回転により生じる流速、当該動翼の回転速度および当該動翼の羽根の枚数に基づいて前記自励音の発生構造の形状が決定される請求項1に記載の騒音低減装置。 - 前記発生部は、キャビティ構造であり、
前記スピーカは、前記発生部よりも前記騒音源側に配置される請求項2に記載の騒音低減装置。 - 前記キャビティ構造は、dを給気方向と平行な当該キャビティ構造の長さとし、Bを前記動翼の羽根の枚数とし、kを前記流速と前記回転速度とに基づく定数とした場合、
k/d=B/60
となるように調整される請求項3に記載の騒音低減装置。 - 前記発生部は、エッジ構造であり、
前記発生部は、前記スピーカよりも前記騒音源側に配置される請求項2に記載の騒音低減装置。 - 前記エッジ構造は、dを当該エッジ構造の先端と当該先端の延長上に存在する部材との距離とし、Bを前記動翼の羽根の枚数とし、kを前記流速と前記回転速度とに基づく定数とした場合、
k/2d=B/60
となるように調整される請求項5に記載の騒音低減装置。 - 前記発生部と前記スピーカとの組は、前記騒音源を内包する管の内壁の周方向に沿って、前記騒音源に対し当該管の管軸方向の前方または後方に複数配置される請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の騒音低減装置。
- 管状の筐体と、
前記筐体内に配置され、複数の羽根を有する動翼と、
前記動翼が回転することにより生じる気流を整流する静翼と、
前記筐体の内壁の周方向であって、かつ前記動翼に対し、前記筐体の管軸方向の前方または後方に配置される複数の騒音低減装置と、を具備するジェットファンであって、
前記騒音低減装置は、
制御音を出力するスピーカと、
自励音を発生する発生部と、
前記制御音と当該制御音に引き込まれる前記自励音とに基づいて騒音源から発生する騒音を低減するように、当該制御音の位相および振幅を制御する制御部と、
を具備するジェットファン。
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